廣工半導體物理與器件總復習1

1、半導體物理與器件復習11.1 半導體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)半導體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)n金金 剛剛 石石 晶晶 體體 結(jié)結(jié) 構(gòu)和共價鍵構(gòu)和共價鍵n Si：a=5.43A; Ge:a=5.66A ; -SiC:a=4.35A， 金剛石金剛石 a=3.567An 每一個每一個Si(或或Ge)原子有四個近鄰原子，構(gòu)成四個共價鍵。原子有四個近鄰原子，構(gòu)成四個共價鍵。n-族和大部分族和大部分-族化合物半導體屬于閃鋅礦結(jié)構(gòu)族化合物半導體屬于閃鋅礦結(jié)構(gòu)aa金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)第一章第一章一、基本概念一、基本概念1. 能帶，允帶，禁帶，能帶，允帶，禁帶，K空間的能帶圖空間的能帶圖能帶能帶: 在

2、晶體中可以容納電子的一系列能級在晶體中可以容納電子的一系列能級允帶：允帶：分裂的每一個能帶都稱為允帶。分裂的每一個能帶都稱為允帶。禁帶：禁帶：晶體中不可以容納電子的一系列能級晶體中不可以容納電子的一系列能級K空間的能帶圖：空間的能帶圖：晶體中的電子能量隨電子波矢晶體中的電子能量隨電子波矢k的變化曲線，即的變化曲線，即E（K）關(guān)系。）關(guān)系。E-K關(guān)系圖E-K關(guān)系圖的簡約布里淵區(qū)能帶形成的定量化關(guān)系能帶形成的定量化關(guān)系2、半導體的導帶，價帶和禁帶寬度、半導體的導帶，價帶和禁帶寬度價帶：價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶條件下被電子填充的能量最高的能帶導帶：導帶： 0K條件下未被電子填充的能

3、量最低的能帶條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：禁帶：導帶底與價帶頂之間能帶導帶底與價帶頂之間能帶禁帶寬度禁帶寬度：導帶底與價帶頂之間的能量差導帶底與價帶頂之間的能量差3.電子的有效質(zhì)量電子的有效質(zhì)量 （1） 晶體中的電子在外加電場作用下，電子除受外電場晶體中的電子在外加電場作用下，電子除受外電場的作用力，還受到內(nèi)部原子核和其它電子的作用力，但的作用力，還受到內(nèi)部原子核和其它電子的作用力，但內(nèi)部勢場的作用力難以精確確定。內(nèi)部勢場的作用力難以精確確定。電子的有效質(zhì)量將晶電子的有效質(zhì)量將晶體導帶中電子的加速度與外加作用力聯(lián)系起來，電子有體導帶中電子的加速度與外加作用力聯(lián)系起來，電子有效質(zhì)量概括

4、了晶體中內(nèi)部勢場對電子的作用力效質(zhì)量概括了晶體中內(nèi)部勢場對電子的作用力。這樣仍。這樣仍能用經(jīng)典力學的方法來描述晶體中電子運動規(guī)律。即：能用經(jīng)典力學的方法來描述晶體中電子運動規(guī)律。即：amfn*外 叫做電子的有效質(zhì)量，因為具有質(zhì)量的量綱，但不同于電子的慣性質(zhì)量m0因為導帶底部E(k)有極小值，所以導帶底電子的有效質(zhì)量為正值。因為價帶頂頂部E(k)有極大值，所以價帶頂電子的有效質(zhì)量為負值：*nm022dkEd022dkEd222*dkEdhmn 222dkEdmn*有效質(zhì)量：與E(k)曲線的曲率半徑成正比討論題 圖1所示E-k關(guān)系曲線表示出了兩種可能的導帶，則導帶，（ B帶 ）對應的電子有效質(zhì)量較

5、大 圖2所示的E-k關(guān)系曲線表示出了兩種可能的價帶，則價帶（ B帶 ）對應的空穴有效質(zhì)量大。圖1圖2 4.空穴：空穴：空穴是幾乎被電子填滿的空穴是幾乎被電子填滿的能帶中未被電子占據(jù)的能帶中未被電子占據(jù)的少數(shù)空的量子態(tài)少數(shù)空的量子態(tài)，這少量的空穴總是處于能帶頂附近。，這少量的空穴總是處于能帶頂附近。是是價電子脫離原子束縛價電子脫離原子束縛 后形成的電子空位后形成的電子空位，對應于價帶頂?shù)模瑢趦r帶頂?shù)碾娮涌瘴?。把半導體中的空穴看成一個帶有電荷為電子空位。把半導體中的空穴看成一個帶有電荷為+q，并，并以該空狀態(tài)相應的電子速度以該空狀態(tài)相應的電子速度v(k)運動的粒子，它具有正的運動的粒子，它具有

6、正的有效質(zhì)量，價帶中大量電子的導電作用可以用少數(shù)空穴的有效質(zhì)量，價帶中大量電子的導電作用可以用少數(shù)空穴的導電作用來描寫。導電作用來描寫。 5。直接帶隙半導體和間接帶隙半導體。直接帶隙半導體和間接帶隙半導體 直接帶隙半導體：直接帶隙半導體：導帶低和價帶頂對應的電子波矢相同 間接帶隙半導體：間接帶隙半導體：導帶低和價帶頂對應的電子波矢不相同導帶低和價帶頂對應的電子波矢不相同二二. 基本公式基本公式222*dkEdhm 有效質(zhì)量速度：dkdEh1例子：第一章習題例子：第一章習題1第二章 基本概念基本概念 1。施主雜質(zhì)，施主能級，施主雜質(zhì)電離能。施主雜質(zhì)，施主能級，施主雜質(zhì)電離能 施主雜質(zhì)：施主雜質(zhì)：

7、能夠施放電子而在導帶中產(chǎn)生電子并形成正能夠施放電子而在導帶中產(chǎn)生電子并形成正電中心的雜質(zhì)，稱為施主雜質(zhì)，摻有施主雜質(zhì)的半導體電中心的雜質(zhì)，稱為施主雜質(zhì)，摻有施主雜質(zhì)的半導體叫叫N型半導體。型半導體。 施主能級施主能級被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED，施主能級位于離導帶低很近的禁帶中。 施主雜質(zhì)電離能：施主雜質(zhì)電離能：導帶底EC與施主能級ED的能量之差ED=EC-ED就是施主雜質(zhì)的電離能。施主雜質(zhì)未電離時是施主雜質(zhì)未電離時是中性的，電離后成為正電中心中性的，電離后成為正電中心 2。受主雜質(zhì)，受主能級，受主雜質(zhì)電離能。受主雜質(zhì)，受主能級，受主雜質(zhì)電離能 受主雜質(zhì)：受主雜質(zhì)：能夠能夠接

8、受電子而在價帶中產(chǎn)生空穴，并形能夠能夠接受電子而在價帶中產(chǎn)生空穴，并形成負電中心的雜質(zhì)，稱為受主雜質(zhì)，摻有受主雜質(zhì)的半導成負電中心的雜質(zhì)，稱為受主雜質(zhì)，摻有受主雜質(zhì)的半導體叫體叫P型半導體。型半導體。 受主能級：受主能級：被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級級EA，受主能級位于離價帶低很近的禁帶中。，受主能級位于離價帶低很近的禁帶中。 受主雜質(zhì)電離能受主雜質(zhì)電離能：價帶頂：價帶頂EV與受主能級與受主能級EA的能量之差的能量之差 EA=EV-EA就是就是受受主雜質(zhì)的電離能。主雜質(zhì)的電離能。受主雜質(zhì)未電離時是受主雜質(zhì)未電離時是中性的，電離后成為負電中心

9、中性的，電離后成為負電中心帶有分立的施主能級帶有分立的施主能級的能帶圖的能帶圖施主能級電離能帶圖施主能級電離能帶圖n被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED。n施主能級位于離導帶低很近的禁帶中n雜質(zhì)原子間的相互作用可忽略，某一種雜質(zhì)的施主能級是一些具有相同能量的孤立能級。n表2-1 硅、鍺晶體中族雜質(zhì)的電離能(eV)受主能級電離能帶圖受主能級電離能帶圖帶有分立的受主能級帶有分立的受主能級的能帶圖的能帶圖n被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級EA。n施主能級位于離價帶頂很近的禁帶中n雜質(zhì)原子間的相互作用可忽略，某一種雜質(zhì)的受主能級是一些具有相同能量的孤立能級。n表2-2 硅、鍺晶體中

10、III族雜質(zhì)的電離能(eV) 3.本征半導體，雜質(zhì)半導體，雜質(zhì)補償半導體本征半導體，雜質(zhì)半導體，雜質(zhì)補償半導體 本征半導體：本征半導體：沒有雜質(zhì)原子且晶體中無晶格缺陷沒有雜質(zhì)原子且晶體中無晶格缺陷的純凈半導體的純凈半導體 雜質(zhì)半導體：雜質(zhì)半導體：摻有施主雜質(zhì)的摻有施主雜質(zhì)的N型半導體或摻有型半導體或摻有受主雜質(zhì)的受主雜質(zhì)的p型半導體都叫雜質(zhì)半導體型半導體都叫雜質(zhì)半導體 雜質(zhì)補償半導體：雜質(zhì)補償半導體：同一半導體區(qū)域內(nèi)既含有施主同一半導體區(qū)域內(nèi)既含有施主雜質(zhì)又含有受主雜質(zhì)的半導體雜質(zhì)又含有受主雜質(zhì)的半導體n 雜質(zhì)的補償作用n當半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)時，半導體是n型還是p型呢？n在半導體中

11、，若同時存在著施主和受主雜質(zhì)，施受主雜質(zhì)之間有互相抵消的作用，通常稱為雜質(zhì)的補償作用。NDNANANDNAND第三章第三章 一一.基本概念基本概念1。狀態(tài)密度。狀態(tài)密度：單位體積單位能量中的量子態(tài)數(shù)量單位體積單位能量中的量子態(tài)數(shù)量2。費米能級。費米能級：它是電子熱力學系統(tǒng)的化學勢，它標志在它是電子熱力學系統(tǒng)的化學勢，它標志在T=0K時電子占據(jù)和未占據(jù)的狀態(tài)的分界線。即比費米時電子占據(jù)和未占據(jù)的狀態(tài)的分界線。即比費米能級高的量子態(tài)，都沒有被電子占據(jù)，比費米能級低能級高的量子態(tài)，都沒有被電子占據(jù)，比費米能級低的量子態(tài)都被電子完全占據(jù)。處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)的量子態(tài)都被電子完全占據(jù)。處于熱平衡狀態(tài)的系

12、統(tǒng)由統(tǒng)一的費米能級。由統(tǒng)一的費米能級。費米能級與溫度、半導體材料的費米能級與溫度、半導體材料的導電類型、雜質(zhì)的含量有關(guān)導電類型、雜質(zhì)的含量有關(guān)二、基本公式二、基本公式1. 態(tài)密度函數(shù)態(tài)密度函數(shù)21323*)()2(4)(CncEEhmVdEdZEg21323*)()2(4)(EEhmVdEdZEgVPV導帶態(tài)密度導帶態(tài)密度價帶態(tài)密度價帶態(tài)密度2.費米分布函數(shù)費米分布函數(shù)TkEEFeEf011)(波爾茲曼函數(shù)TkEEFeEf0)(當當E-EFkT時時3.載流子的濃度載流子的濃度TkEEiiFenn00)exp(00TkEENnfCc)exp(00TkEENpVFvTkEEiFienp00)exp

13、(TkENNnpngvci0200平衡態(tài)非平衡態(tài)TkEEiFpFnenpn0200導帶的有效狀態(tài)密度導帶的有效狀態(tài)密度NcNcT3/22320*22）（TkmNnC3.載流子的濃度載流子的濃度2320)22TkmNpV*(價帶的有效狀態(tài)密度價帶的有效狀態(tài)密度NvNvT3/24. 費米能級公式費米能級公式iiFCCFnnkTEENnkTEE00lnlniiFVVFnpkTEENpkTEE00lnlnn型半導體型半導體p型半導體型半導體5.不同溫區(qū)載流子濃度和費米能級的計不同溫區(qū)載流子濃度和費米能級的計 強電離區(qū)強電離區(qū)02000200pnnNNpNNnnpNNnNNiDAADiADAD時當時：當

14、02000200pnnNpnnpNniAiDn型半導體型半導體 p型半導體型半導體補償型半導體補償型半導體 費米能級仍用前面的公式費米能級仍用前面的公式過渡區(qū)n型半導體：型半導體： 200002000020000iDAiAiDnpnNpNnnpnNnpnpnNpnp型半導體：型半導體： 補償型半導體：補償型半導體： 聯(lián)立解方程求聯(lián)立解方程求n0，p0費米能級仍用前面的公式費米能級仍用前面的公式高溫本征激發(fā)區(qū)n0= p0=ni EF=Ei費米能級仍用前面的公式得到費米能級仍用前面的公式得到EF=Ei例題2（a)在熱平衡條件下，溫度T大于0K，電子能量位于費米 能級時，電子態(tài)的占有幾率是多少？ (

15、b)若EF位于EC，試計算狀態(tài)在EC+kT時發(fā)現(xiàn)電子的幾率 。 (c)在在EC+kT時，若狀態(tài)被占據(jù)的幾率等于狀態(tài)未時，若狀態(tài)被占據(jù)的幾率等于狀態(tài)未 被占據(jù)的幾率。此時費米能級位于何處？被占據(jù)的幾率。此時費米能級位于何處？由題意得：解之得：第四章半導體的導電性第四章半導體的導電性一、基本概念：一、基本概念： 1。載流子的漂移運動？寫出總漂移電流密度方程。載流子的漂移運動？寫出總漂移電流密度方程 載流子在載流子在電場電場作用下的作用下的定向定向運動。漂移電流密度與載運動。漂移電流密度與載流子的濃度、載流子的遷移率和外加電場的大小有關(guān)流子的濃度、載流子的遷移率和外加電場的大小有關(guān) 2。遷移率的物理

16、意義？遷移率的單位是什么？載流子的。遷移率的物理意義？遷移率的單位是什么？載流子的遷移率與那些因素有關(guān)遷移率與那些因素有關(guān) 單位電場作用下載流子獲得平均漂移速度，它反映了單位電場作用下載流子獲得平均漂移速度，它反映了載流子在電場作用下的輸運能力。單位載流子在電場作用下的輸運能力。單位cm2/v sEpqnqJJJpnpn)(載流子的散射載流子的散射因為載流子因為載流子在運動過程在運動過程中受到散射中受到散射電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射晶格振動散射晶格振動散射 中性雜質(zhì)散射中性雜質(zhì)散射位錯散射位錯散射合金散射合金散射等同的能谷間散射等同的能谷間散射三三. 遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)和溫度的

17、關(guān)系散射幾率，平均自由時間和溫度的關(guān)系：散射幾率，平均自由時間和溫度的關(guān)系：)()(111123232323123123kThvokThvokThvosssiiiiiieeePTTTPTNTNTNP4. 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射聲學波散射聲學波散射光學波散射光學波散射*mqP/1任何情況下，幾種散射機制都會同時存在. 3211111111111qmPPPPPPPPPPPnIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII4. 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系4. 半導體的電阻率（或電導率）與那些因素有半導體的電阻率（

18、或電導率）與那些因素有關(guān)關(guān)n型半導體型半導體p型半導體型半導體本征半導體本征半導體pinipinippnnqnqnqnqnpqpqnqnq1,1,1,電阻率與載流子濃度與遷移率有關(guān)，二者均電阻率與載流子濃度與遷移率有關(guān)，二者均與雜質(zhì)濃度和溫度有關(guān)。與雜質(zhì)濃度和溫度有關(guān)。二二.例題例題例題1 Ge樣品， 摻有1022m-3受主，試求室溫時樣品的電導率。再摻入51022m-3施主后，求室溫時樣品的電導率。 查圖4-14（b）可知，這個濃度下，Ge的遷移率31632210011001cm.m.NA又查圖3-7可知，室溫下Ge的本征載流子濃度pu313102cmniiAnNcmpqup42150010

19、602110011916.查圖4-14（b）可知，這個摻雜濃度下，Ge的遷移率為1500 cm2/( V.S)，屬強電離區(qū)，所以電導率為31632210041004cm.m.NNnAD3161006cm.NNNADinucmnqunqunn219300010602110041916.摻入51022m-3施主后總的雜質(zhì)總和為3000 cm2/( V.S),第五章第五章 非平衡載流子非平衡載流子一、基本概念一、基本概念0nnn1。過剩電子，過?？昭?，過剩載流子（非平衡載流子），非。過剩電子，過?？昭ǎ^剩載流子（非平衡載流子），非平衡載流子的壽命？平衡載流子的壽命？ 過剩電子：導帶中超出熱平衡狀態(tài)

20、濃度的電子濃度過剩電子：導帶中超出熱平衡狀態(tài)濃度的電子濃度過剩空穴：價帶中超出熱平衡狀態(tài)濃度的空穴濃度過?？昭ǎ簝r帶中超出熱平衡狀態(tài)濃度的空穴濃度過剩載流子：過剩電子和空穴的總稱過剩載流子：過剩電子和空穴的總稱過剩載流子壽命：過剩少子在復合前存在的平均時間。過剩載流子壽命：過剩少子在復合前存在的平均時間。2。小注入和大注入。小注入和大注入小注入：過剩載流子的濃度遠小于熱平衡多子濃度的情況小注入：過剩載流子的濃度遠小于熱平衡多子濃度的情況大注入：過剩載流子的濃度接近或大于熱平衡多子濃度的情況大注入：過剩載流子的濃度接近或大于熱平衡多子濃度的情況 0ppp3.什么是準費米能級？什么是準費米能級？

21、在非平衡狀態(tài)下，由于導帶和價帶在總體上處于非在非平衡狀態(tài)下，由于導帶和價帶在總體上處于非平衡，因此就不能用統(tǒng)一的費米能級來描述導帶中平衡，因此就不能用統(tǒng)一的費米能級來描述導帶中的電子和價帶中的空穴按能量的分布問題。但由于的電子和價帶中的空穴按能量的分布問題。但由于導帶中的電子和價帶中的空穴按能量在各自的能帶導帶中的電子和價帶中的空穴按能量在各自的能帶中處于準平衡分布，可以有各自的費米能級中處于準平衡分布，可以有各自的費米能級 稱為準費米能級，準費米能級分離的程度，即稱為準費米能級，準費米能級分離的程度，即 的大小，反映了與平衡態(tài)分離的程度的大小，反映了與平衡態(tài)分離的程度pFnFEEpFnFEE

22、 和5.3準費米能級非平衡狀態(tài)下TkEEiiFnenn0TkEEiFpienp0TkEEiFpFnennp02vvFpccFnvFpvFnccNpTkEENnTkEETkEENpTkEENnlnln)exp()exp(00005 .什么是載流子的擴散運動？寫出電子和空穴什么是載流子的擴散運動？寫出電子和空穴的擴散電流密度方程的擴散電流密度方程 當半導體內(nèi)部的載流子存在濃度梯度時，引當半導體內(nèi)部的載流子存在濃度梯度時，引起載流子由濃度高的地方向濃度低的地方擴起載流子由濃度高的地方向濃度低的地方擴散，擴散運動是載流子的有規(guī)則運動。散，擴散運動是載流子的有規(guī)則運動。電子擴散電流密度：電子擴散電流密度

23、：dxdnqDJndiffn,空穴擴散電流密度：空穴擴散電流密度：dxdpqDJpdiffp,擴散系數(shù)反應了非平衡少子擴散能力的大小擴散系數(shù)反應了非平衡少子擴散能力的大小達到穩(wěn)態(tài)分布，即空間任一點，單位體積內(nèi)的載流子數(shù)目不隨時間變化，則由于擴散，單位時間單位體積內(nèi)累積的載流子數(shù)目等于復合掉的載流子數(shù)目。穩(wěn)態(tài)擴散方程一2222維ndxndDpdxpdDnp上述兩個方程的解：)exp()exp()()exp()exp()(nnppLxBLxCxnLxBLxAxp5.6 載流子的擴散運動長度空穴擴散pppDL電子擴散長度nnnDL二、基本公式二、基本公式1. 漂移電流密度公式：EpqJEnqJppnn2.擴散電流密度公式dxdnqDJndiffn,dxdpqDJpdiffp,3.3.愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系:qkTD 4. 連續(xù)性方程nnnnnpppppgnxEnxnExnDtngpxEpxpExpDtp2222連續(xù)性方程反映了半導體中少數(shù)載流子運動的普遍規(guī)律，它是研究半導體器件原理的基本方程之一。連續(xù)性方程應用舉例：常見的特殊條件下的方程的簡化：1、穩(wěn)態(tài)：00tntp2、無濃度梯度或無擴散電